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充气膜设计中模型建立与接触定义的分述
- 2020-12-11-

  一、模型建立:

  充气膜常规的建模思路是:先建设结构外形投影平面的模型,拟定好初始的预应力分布状况,而后求解达到该预应力与边界条件的构造形状,即为经过结构预应力的状态找到其结构的形状。有气膜建筑采用的建模思路是预先假定结构的形状,给定半椭球膜面形状并将拉索附着在膜面的相应位置上,膜面和拉索之间采用接触单元定义,将内压作为外荷载施加到膜面上,使结构获得预应力,即通过结构的形状寻找其预应力状态,终端使膜面和拉索获得的应力整体大于零,这样保持了膜和拉索都处于正常工作状态,这种建模方法利于建立拉索与膜面之间的接触关系。

  二、接触定义:

  充气膜结构中的拉索与膜材之间的相互作用按接触问题处理,将拉索离散成空间铰接具有两个节点且仅受拉的Link10单元,膜面离散成三节点Shell41三角形平面应力膜单元。有限元软件ANSYS已具备完整的接触分析功能,利用其Contact175点-面接触单元建立拉索和膜面之间的接触关系, 对拉索和膜面之间的摩擦接触滑移进行模拟, 接触分析中摩擦模型采用典型库仑摩擦, 需要引入摩擦系数, 由文献中实验结果可得, 拉索与膜材之间的摩擦系数建议取值为0.2-0.6, 接触计算采用扩展拉格朗日算法, 即把纯拉格朗日乘子法和罚函数法结合起来, 并满足接触协调, 计算分析应满足以下假定∶

  1)拉索及膜面张拉属于小应变, 满足Hooke定律; 2)充气膜的膜材是正交异性弹性材料, 即变形前后材料主轴一直保持垂直; 3)考虑摩擦作用, 拉索与膜面之间有相对滑动; 4)忽略膜材的抗弯刚度, 膜材主轴与单元边之间的夹角一直不变。